JP6125058B1

JP6125058B1 - 燃料電池スタック

Info

Publication number: JP6125058B1
Application number: JP2016012128A
Authority: JP
Inventors: 誠大森; 嘉彦山村; 満服部
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2016-01-26
Filing date: 2016-01-26
Publication date: 2017-05-10
Anticipated expiration: 2036-01-26
Also published as: JP2017134928A

Abstract

【課題】燃料電池セルの破損を抑制する。【解決手段】燃料電池スタック１００は、燃料電池セル１と、複数の集電部２と、を備えている。燃料電池セル１は、固体電解質層１２、空気極１３、及び燃料極１１を有する。各集電部２は、燃料電池セル１に電気的に接続される。複数の集電部２は、第１集電部２ａと第２集電部２ｂとを有する。第１集電部２ａは、燃料電池セル１に接合される。第２集電部２ｂは、第１集電部２ａと比べてより小さい力で燃料電池セル１から離間する。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池スタックに関するものである。

燃料電池スタックは、複数の燃料電池セルと、複数の集電部とを備えている。各燃料電池セルは、互いに対向するように配置されている。各集電部は、各燃料電池セルを互いに電気的に接続するように構成されている。例えば、各集電部は、燃料電池セルの空気極又は燃料極に接合されている。

特開２０１５−２０１４２２号公報

燃料電池スタックが運転と停止とを繰り返すと、各燃料電池スタックを構成する部材のそれぞれが熱膨張と収縮とを繰り返す。各部材は互いに熱膨張係数が異なるため、熱膨張と収縮との繰り返しによって、各燃料電池セルに熱応力が生じる。この結果、各燃料電池セルが破損するおそれがある。

本発明の課題は、燃料電池セルの破損を抑制することにある。

本発明のある側面に係る燃料電池スタックは、燃料電池セルと、複数の集電部と、を備えている。燃料電池セルは、固体電解質層、空気極、及び燃料極を有する。各集電部は、燃料電池セルに電気的に接続される。複数の集電部は、第１集電部と第２集電部とを有する。第１集電部は、燃料電池セルに接合される。第２集電部は、第１集電部と比べてより小さい力で燃料電池セルから離間する。

この構成によれば、第２集電部が第１集電部よりも容易に燃料電池セルから離間するため、熱膨張と収縮との繰り返しによって燃料電池セルに熱応力が生じた場合に、第２集電部が燃料電池セルから離間する。この結果、燃料電池セルに生じる熱応力を逃がすことができ、燃料電池セルの破損を抑制することができる。

第２集電部は、燃料電池セルに非接合であってもよい。この構成によれば、第２集電部は、第１集電部よりも容易に燃料電池セルから離間することができる。この結果、上述したように、燃料電池セルの破損を抑制することができる。なお、第２集電部は、燃料電池セルと接触していることが好ましい。

第２集電部は、燃料電池セルに接合されていてもよい。この場合、第２集電部と燃料電池セルとの接合面積は、第１集電部と前記燃料電池セルとの接合面積よりも小さい。この構成によれば、第２集電部は、第１集電部よりも容易に燃料電池セルから離間することができる。この結果、上述したように、燃料電池セルの破損を抑制することができる。

第２集電部は、燃料電池セルに接合されていてもよい。この場合、第２集電部と燃料電池セルとの接合強度は、前記第１集電部と前記燃料電池セルとの接合強度よりも低い。この構成によれば、第２集電部は、第１集電部よりも容易に燃料電池セルから離間することができる。この結果、上述したように、燃料電池セルの破損を抑制することができる。

第２集電部は、第１集電部に比べて、気孔率が大きくてもよい。この構成によれば、第２集電部は、第１集電部よりも容易に燃料電池セルから離間することができる。この結果、上述したように、燃料電池セルの破損を抑制することができる。

複数の第２集電部を含む第２領域における第２集電部の形成密度は、少なくとも１つの第１集電部を含む第１領域における第１集電部の形成密度よりも低くてもよい。

各第１集電部は、外周部に配置されていてもよい。各第２集電部は、第１集電部に囲まれるように配置される。従来、燃料電池セルの中央部は、外周部に比べて高温になりやすいため、外周部に比べて電気抵抗が下がる。この結果、燃料電池セルの中央部に電流が集中し、燃料電池の中央部がさらに高温となる可能性がある。これに対して、第１集電部よりも小さい力で燃料電池セルから離間する第２集電部を中央部に配置することで、電流集中を外周部に分散して中央部の温度が高くなることを抑制することができる。

燃料電池セルは、長手方向と、幅方向とを有していてもよい。この場合、第１及び第２集電部は、幅方向に沿って配置されていてもよい。第１集電部は、幅方向の外側に配置され、第２集電部は、幅方向の内側に配置される。従来、燃料電池セルの幅方向の内側は、幅方向の外側に比べて高温になりやすいため、幅方向の外側に比べて電気抵抗が下がる。この結果、燃料電池セルの幅方向の内側に電流が集中し、燃料電池セルの幅方向の内側がさらに高温となる可能性がある。これに対して、第１集電部よりも小さい力で燃料電池セルから離間する第２集電部を幅方向の内側に配置することで、電流集中を幅方向の外側に分散して幅方向の内側の温度が高くなることを抑制することができる。

本発明によれば、燃料電池セルの破損を抑制することができる。

燃料電池スタックの斜視図。燃料電池スタックの断面図。集電部材の平面図。変形例に係る集電部材の平面図。変形例に係る集電部材の平面図。変形例に係る燃料電池スタックの斜視図。変形例に係る燃料電池スタックの断面図。変形例に係る燃料電池スタックの断面図。

以下、本発明に係る燃料電池スタックの実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、本実施形態に係る燃料電池は、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）である。具体的には、本実施形態に係る燃料電池は、平板型の燃料電池である。

［燃料電池スタック］
図１及び図２に示すように、燃料電池スタック１００は、複数の燃料電池セル１と、複数の集電部２とを備えている。また、燃料電池スタック１００は、複数のセパレータ３なども備えている。

［燃料電池セル］
図２に示すように、燃料電池セル１は、燃料極１１、固体電解質層１２、及び空気極１３を備える。燃料電池セル１は、セラミック材料によって構成される薄板である。燃料電池セル１は、例えば、厚み０．２〜１０ｍｍ程度の板状の部材である。また、平面視（ｚ軸方向視）において、燃料電池セル１は、矩形状又は円形状である。

燃料極１１は、燃料電池セル１のアノードとして機能する。燃料極１１は、固体電解質層１２及び空気極１３を支持する基板としての機能を有してもよい。すなわち、燃料極１１は、支持体としての機能を有してもよい。燃料極１１の厚みは、例えば、１０μｍ〜５ｍｍとすることができる。燃料極１１が支持体として機能する場合、燃料極１１の厚みは、固体電解質層１２及び空気極１３の厚みよりも大きくすることが好ましい。燃料極１１は、燃料極集電層と、燃料極活性層とを有している。

燃料極集電層は、ガス透過性に優れる多孔質体である。燃料極集電層を構成する材料としては、従来のＳＯＦＣの燃料極集電層に用いられてきた材料を用いることができる。例えば、燃料極集電層の材料として、ＮｉＯ（酸化ニッケル）−８ＹＳＺ（８ｍｏｌ％のイットリアで安定化されたジルコニア）、及びＮｉＯ‐Ｙ_２Ｏ_３（イットリア）が挙げられる。燃料極集電層がＮｉＯを含んでいる場合、燃料電池スタック１００の作動中においてＮｉＯの少なくとも一部はＮｉに還元されていてもよい。燃料極集電層の厚みは、例えば０．１ｍｍ〜５．０ｍｍ程度とすることができる。

燃料極活性層は、燃料極集電層上に配置される。具体的には、燃料極活性層は、燃料極集電層と固体電解質層１２との間に配置される。燃料極活性層は、燃料極集電層より緻密な多孔質体である。燃料極活性層を構成する材料としては、従来ＳＯＦＣの燃料極活性層に用いられてきた材料を用いることができ、例えばＮｉＯ‐８ＹＳＺが挙げられる。燃料極活性層がＮｉＯを含んでいる場合、燃料電池スタック１００の作動中においてＮｉＯの少なくとも一部はＮｉに還元されていてもよい。燃料極活性層の厚みは、例えば５．０μｍ〜３０μｍ程度とすることができる。

固体電解質層１２は、燃料極１１と空気極１３との間に配置される。固体電解質層１２は、空気極１３で生成される酸素イオンを透過させる機能を有する。固体電解質層１２は、燃料極１１や空気極１３よりも緻密質である。

固体電解質層１２は、ＺｒＯ_２（ジルコニア）を主成分として含んでいてもよい。固体電解質層１２は、ジルコニアの他に、Ｙ_２Ｏ_３（イットリア）及びＳｃ_２Ｏ_３（酸化スカンジウム）等の添加剤を少なくとも１種含んでいてもよい。これらの添加剤は、安定化剤として機能する。固体電解質層１２において、安定化剤のジルコニアに対するｍｏｌ組成比（安定化剤：ジルコニア）は、３：９７〜２０：８０程度とすることができる。従って、固体電解質層１２の材料としては、例えば、３ＹＳＺ、８ＹＳＺ、１０ＹＳＺ、或いはＳｃＳＺ（スカンジアで安定化されたジルコニア）などが挙げられる。固体電解質層１２の厚みは、例えば３μｍ〜３０μｍ程度とすることができる。

なお、本実施形態において、組成物Ｘが物質Ｙを「主成分として含む」とは、組成物Ｘ全体のうち、物質Ｙが７０重量％以上を占め、より好ましくは９０重量％以上を占めることを意味する。

空気極１３は、固体電解質層１２上に配置される。空気極１３は、燃料電池セル１のカソードとして機能する。空気極１３は、多孔質体である。空気極１３は、一般式ＡＢＯ_３で表されるペロブスカイト型複合酸化物を主成分として含むことができる。このようなペロブスカイト型複合酸化物としては、ＬＳＣＦ（（Ｌａ,Ｓｒ）（Ｃｏ,Ｆｅ）Ｏ_３：ランタンストロンチウムコバルトフェライト）、ＬＳＦ（（Ｌａ,Ｓｒ）ＦｅＯ_３：ランタンストロンチウムフェライト）、ＬＳＣ（（Ｌａ,Ｓｒ）ＣｏＯ_３：ランタンストロンチウムコバルタイト）、ＬＮＦ（Ｌａ（Ｎｉ，Ｆｅ）Ｏ_３：ランタンニッケルフェライト）、ＬＳＭ（（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ_３：ランタンストロンチウムマンガネート）などが挙げられるが、これに限られるものではない。

［集電部］
集電部２は、燃料極１１に電気的に接続される集電部２と、空気極１３に電気的に接続される集電部２がある。以下では、空気極１３に電気的に接続される集電部２について説明する。燃料極１１に電気的に接続される集電部２は、接続対象が異なることを除き、空気極１３に電気的に接続される集電部２と同じ構成であるため、その詳細な説明を省略する。

各集電部２は、空気極１３上に配置され、空気極１３に電気的に接続されている。また、各集電部２は、セパレータ３と電気的に接続されている。このため、各集電部２は、各燃料電池セル１とセパレータ３とを電気的に接続している。

詳細には、各集電部２は、ベース部２５から空気極１３に向かって突出している。各集電部２は、ベース部２５と一体的に構成されている。ベース部２５は、平板状であって、セパレータ３と接触している。なお、この集電部２とベース部２５とが一体的に構成されている部材を集電部材２０と称する。

各集電部２は、導電性を有する材料によって構成される。各集電部２は、金属材料、又はセラミックス材料によって構成される。具体的には、集電部２は、フェライト系ステンレス鋼、ニッケル系合金、白金系合金、銀系合金、及び導電性セラミックス（ペロブスカイト型、スピネル型等）よりなる群から選ばれる少なくとも１種によって構成される。なお、ベース部２５は、各集電部２と同様の材料によって構成される。

各集電部２は、コーティングされていてもよい。各集電部２は、全体がコーティングされていてもよいし、空気極１３と対向する面のみがコーティングされていてもよい。各集電部２がＣｒを含む場合、集電部２をコーティングすることによって、導電部２からＣｒが放出されることを抑えて、空気極１３のいわゆるＣｒ被毒を抑制する。

各集電部２は、第１集電部２ａと、第２集電部２ｂとを有している。第１集電部２ａは、燃料電池セル１の空気極１３に接合されている。例えば、第１集電部２ａは、導電性の接合材によって空気極１３に接合されている。より具体的には、第１集電部２ａは、メタル系材料（例えば、銀系材料など）、又は導電性セラミック材料（例えば、ＬＳＣＦなど）などを用いて、空気極１３に接合される。導電性セラミック材料には、遷移金属酸化物が含まれていてもよい。

これに対して、第２集電部２ｂは、燃料電池セル１の空気極１３に接合されていない。すなわち、第２集電部２ｂは、第１集電部２ａに比べてより小さい力で燃料電池セル１の空気極１３から離間する。このように燃料電池セル１は第２集電部２ｂによって拘束されていないため、燃料電池スタック１００の運転中において、燃料電池セル１が熱膨張及び収縮しても熱応力の発生を抑制することができる。この結果、燃料電池セル１の破損を抑制することができる。

第２集電部２ｂは、燃料電池セル１の空気極１３に接触していてもよいし、空気極１３に接触していなくてもよい。例えば、燃料電池スタック１００の運転中において、第２集電部２ｂは、空気極１３から離間したり、空気極１３に接触したりすることができる。また、燃料電池スタック１００の停止中において第２集電部２ｂは空気極１３に接触していなくてもよい。

図３に示すように、各第１集電部２ａは、外周部に配置されている。また、各第２集電部２ｂは、各第１集電部２ａに囲まれるように配置されている。なお、各第１集電部２ａは、最外周部のみに配置されていてもよいし、最外周部のみでなく最外周部の内側にも配置されていてもよい。すなわち、最外周部において環状に配置された各第１集電部２ａと、中央部に配置された第２集電部２ｂとの間の各集電部２は、第１集電部２ａであってもよいし、第２集電部２ｂであってもよい。

［セパレータ３］
図２に示すように、セパレータ３は、燃料電池セル１の燃料極１１又は空気極１３と対向するように配置されている。セパレータ３は、集電部２を介して燃料電池セル１の燃料極１１又は空気極１３と電気的に接続している。

セパレータ３は、燃料ガス又は酸素を含むガスを流すための流路３１を有している。この流路３１内に、集電部２が配置されている。セパレータ３は、例えば、フェライト系ステンレス鋼、ジルコニア系セラミックスよりなる群から選ばれる少なくとも１種によって構成することができる。

［燃料電池スタックの製造方法］
次に、燃料電池スタック１００の製造方法の一例について説明する。

まず、金型プレス成形法で燃料極集電層用材料粉末を成形することによって、燃料極集電層の成形体を形成する。

次に、燃料極活性層用材料粉末と造孔剤（例えばＰＭＭＡ）との混合物にバインダーとしてＰＶＡ（ポリビニルブチラール）を添加して燃料極活性層用スラリーを作製する。そして、印刷法などによって燃料極活性層用スラリーを燃料極集電層の成形体上に印刷することによって、燃料極活性層の成形体を形成する。以上により燃料極１１の成形体が形成される。

次に、固体電解質層用材料粉末にテルピネオールとバインダーを混合して固体電解質層用スラリーを作製する。そして、印刷法などによって固体電解質層用スラリーを燃料極活性層の成形体上に塗布することによって、固体電解質層１２の成形体を形成する。

次に、燃料極１１、及び固体電解質層１２それぞれの成形体を焼成（１３５０℃〜１４５０℃、１時間〜２０時間）することによって、燃料極１１及び固体電解質層１２を形成する。

次に、空気極材料粉末にテルピネオールとバインダーを混合して空気極用スラリーを作製する。そして、印刷法などで空気極用スラリーを固体電解質層１２上に塗布することによって、空気極１３の成形体を形成する。

次に、空気極１３の成形体を焼成（１０００〜１１００℃、１〜１０時間）することによって空気極１３を形成する。

次に、上述したような材料からなる一対の集電部材２０を準備する。そして、一方の集電部材２０を空気極１３と対向するように配置し、他方の集電部材２０を燃料極１１と対向するように配置する。詳細には、一方の集電部材２０の各集電部２のうち、外周部に配置される第１集電部２ａを燃料電池セル１の空気極１３に接合する。同様に、他方の集電部材２０の各集電部２のうち、外周部に配置される第１集電部２ａを燃料極１１に接合する。

次に、集電部材２０を介して一対のセパレータ３によって燃料電池セル１を挟み込む。以上の手順で、複数の燃料電池セル１をセパレータ３を介して積層することによって、燃料電池スタック１００が完成する。

［変形例］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

変形例１
上記実施形態では、第２集電部２ｂは燃料電池セル１に接合されていないが、第２集電部２ｂは燃料電池セル１に接合されていてもよい。この場合、例えば、図４に示すように、第２集電部２ｂと燃料電池セル１との接合面積は、第１集電部２ａと燃料電池セル１との接合面積よりも小さくすることができる。この構成によれば、第２集電部２ｂは、第１集電部２ａよりも小さい力で燃料電池セル１から離間することができる。

変形例２
変形例１と同様に、第２集電部２ｂが燃料電池セル１に接合されている場合において、第２集電部２ｂと燃料電池セル１との接合強度は、第１集電部２ａと燃料電池セル１との接合強度よりも低くしてもよい。この構成によれば、第２集電部２ｂは、第１集電部２ａよりも小さい力で燃料電池セル１から離間することができる。

変形例３
図５に示すように、第２領域Ａ２における第２集電部２ｂの形成密度が、第１領域Ａ１における第１集電部２ａの形成密度よりも低くしてもよい。なお、変形例１と同様に、第２集電部２ｂは、燃料電池セル１に接合されていることが好ましい。この構成によれば、第２集電部２ｂは、第１集電部２ａよりも小さい力で燃料電池セル１から離間することができる。なお、形成密度は、所定領域の面積に対する集電部２が形成される面積の割合で示すことができる。第２領域Ａ２は、複数の第２集電部２ｂが含まれる領域である。第１領域Ａ１は、少なくとも１つの第１集電部１ａが含まれる領域である。好ましくは、第１領域Ａ１は、複数の第１集電部１ａが含まれる領域である。第１領域Ａ１と第２領域Ａ２とは、互いに同じ面積とすることが好ましい。

変形例４
上記実施形態では、いわゆる平板型の燃料電池スタックについて説明したが、本発明は、円筒型、筒状平板縦縞型、及び筒状平板横縞型など、他のタイプの燃料電池スタックにも適用可能である。以下、筒状平板横縞型の燃料電池スタックについて説明する。

図６及び図７に示すように、燃料電池スタック１００は、筒状平板横縞型の燃料電池スタックである。燃料電池スタック１００は、複数の燃料電池セル１と、複数の集電部２と、マニホールド４とを備えている。

各燃料電池セル１は、複数の発電素子部１０を有している。すなわち、各燃料電池セル１は、いわゆる横縞型の燃料電池セルである。燃料電池セル１は、マニホールド４から上方に延びている。各集電部２は、各燃料電池セル１間に配置されている。なお、集電部２は、マニホールド４側に形成されていることが好ましい。

各集電部２は燃料電池セル１の面の全体に形成されるのではなく、燃料電池セル１の幅方向に沿って配置されることが好ましい。詳細には、燃料電池セル１は、長手方向（ｘ軸方向）と幅方向（ｙ軸方向）とを有している。そして、各集電部２は、燃料電池セル１の幅方向に沿って配置されている。第１集電部２ａは幅方向の外側に配置され、第２集電部２ｂは幅方向の内側に配置される。すなわち、第２集電部２ｂは、燃料電池セル１の幅方向において第１集電部２ａに挟まれるように配置される。なお、中央の第２集電部２ｂと最も外側の第１集電部２ａとの間の集電部２は、第１集電部２ａであってもよいし、第２集電部２ｂであってもよい。

変形例５
上記実施形態では、各集電部２はベース部２５を介して互いに一体的に構成されていたが、各集電部２の構成はこれに限定されない。例えば、図８に示すように、各集電部２は、互いに独立して構成されていてもよい。すなわち、集電部材２０は、ベース部２５を有していなくてもよい。

変形例６
上記実施形態では、各集電部２は、空気極又は燃料極に直接接続されていたが、各集電部２は、空気極または燃料極に電気的に接続されていれば、特にこれに限定されない。例えば、各集電部２と空気極１３又は燃料極１１との間に導電性の部材が配置されていてもよい。

変形例７
上記実施形態において、第１集電部２ａの気孔率と第２集電部２ｂの気孔率とは、同じであってもよいし、違っていてもよい。例えば、第１集電部２ａの気孔率よりも、第２集電部２ｂの気孔率を大きくしてもよい。

１：燃料電池セル
１ａ：第１集電部
２：集電部
２ａ：第１集電部
２ｂ：第２集電部
１１：燃料極
１３：空気極
１００：燃料電池スタック

Claims

電解質、空気極、及び燃料極を有する燃料電池セルと、
前記燃料電池セルに電気的に接続される複数の集電部と、
を備え、
前記複数の集電部は、前記燃料電池セルに接合される第１集電部と、前記第１集電部と比べてより小さい力で前記燃料電池セルから離間する第２集電部と、
を有し、
前記第２集電部は、前記燃料電池セルに非接合である、
燃料電池スタック。
前記第２集電部は、前記燃料電池セルと接触する、
請求項１に記載の燃料電池スタック。
前記第２集電部は、前記第１集電部に比べて、気孔率が大きい、
請求項１又は２に記載の燃料電池スタック。
複数の前記第２集電部を含む第２領域における第２集電部の形成密度は、少なくとも１つの前記第１集電部を含む第１領域における第１集電部の形成密度よりも低い、
請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池スタック。
前記各第１集電部は、外周部に配置され、
前記各第２集電部は、前記第１集電部に囲まれるように配置される、
請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池スタック。
前記燃料電池セルは、長手方向と、幅方向とを有し、
前記第１及び第２集電部は、前記幅方向に沿って配置され、
前記第１集電部は、幅方向の外側に配置され、
前記第２集電部は、幅方向の内側に配置される、
請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池スタック。
電解質、空気極、及び燃料極を有する燃料電池セルと、
前記燃料電池セルに電気的に接続される複数の集電部と、
を備え、
前記複数の集電部は、前記燃料電池セルに接合される第１集電部と、前記第１集電部と比べてより小さい力で前記燃料電池セルから離間する第２集電部と、
を有し、
前記各第１集電部は、外周部に配置され、
前記各第２集電部は、前記第１集電部に囲まれるように配置される、
燃料電池スタック。
電解質、空気極、及び燃料極を有する燃料電池セルと、
前記燃料電池セルに電気的に接続される複数の集電部と、
を備え、
前記複数の集電部は、前記燃料電池セルに接合される第１集電部と、前記第１集電部と比べてより小さい力で前記燃料電池セルから離間する第２集電部と、
を有し、
前記燃料電池セルは、長手方向と、幅方向とを有し、
前記第１及び第２集電部は、前記幅方向に沿って配置され、
前記第１集電部は、幅方向の外側に配置され、
前記第２集電部は、幅方向の内側に配置される、
燃料電池スタック。